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光伏发电系统最大功率点跟踪技术研究

范文

温利民

摘要：当今世界，能源短缺与环境污染已成为人类社会可持续发展的阻碍，大力发展绿色再生能源成为发展的趋势，光伏发电以其独特的优势，成为未来最具潜能的替代能源。最大功率点跟踪是光伏发电系统的关键技术，此技术可最大限度提升光伏发电效率。为此，本文在全面了解光伏发电重要性的基础上，结合最大功率点跟踪控制工作原理，对当前常用的光伏发电系统最大功率点跟踪算法进行阐述，并提出了改进优化方法，以期更好地保证光伏发电系统运行稳定。

关键词：光伏发电系统;最大功率点跟踪;恒定电压法

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）29-0138-03

Research on Maximum Power Point Tracking

Technology of Photovoltaic Power System

WEN Limin

（Henan Engineering Co.， Ltd. of POWERCHINA，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract： Nowadays， energy shortage and environmental pollution in the world have become obstacles to the sustainable development of human society， and the development of green renewable energy has become the development trend. Photovoltaic power generation， with its unique advantages， has become the most potential alternative energy in the future. Maximum power point tracking is the key technology of photovoltaic power generation system. The application of this technology can maximize the efficiency of photovoltaic power generation. Therefore， based on a comprehensive understanding of the importance of photovoltaic power generation， combined with the principle of maximum power point tracking control， this paper expounded the current common maximum power point tracking algorithm of photovoltaic power generation system， and proposed an improved optimization method， in order to better ensure the operation stability of photovoltaic power generation system.

Keywords： photovoltaic power generation system;maximum power point tracking;constant voltage method

工业革命以后，煤炭、石油、天然氣等资源大规模地涌入人们的视野。能源结构的调整与改变将对世界经济发展做出积极的贡献。但与此同时，人类长期不规范的开采活动，促使传统能源环境问题愈演愈烈，如何在能源问题上谋求新的出路，如何合理开发和利用可持续新型环保性能源成为当前亟待解决的难题。太阳能作为一种可再生能源，资源极为丰富，光伏发电是一种直接将太阳能转化为电能的新型技术，相比火力发电等方式，光伏发电优点较多，如清洁、安全、经济等[1，2]。预计2020年，在世界总能源需求量中，光伏发电量将占据1%，到了21世纪晚期，占比将达到50%。

1 光伏发电的重要性

据不完全统计，基于太阳能资源的丰富性，我国太阳能年辐照总量在502万kJ/m2，在国土面积中，年日照时数在2 200h以上的地区就超过75%，具体如表1所示。由此可见，在太阳能资源利用与开发中，我国具有良好的适用性。但相比西方发达国家，我国分布式光伏发电的普及还存在很多差距，仍属于初步阶段，但后续发展劲头强大。2013—2018年，我国光伏产业链成本下降幅度较大，已显现出可观的经济收益，因此，光伏发电具有强大的优势，在未来长期能源战略中将占据至关重要的地位。

随着光伏产业的迅速发展，其供需关系也发生了诸多改变，利用先进的技术可进一步减少成本、提升效率，这也是当前光伏产业发展的重点，特别是最大功率点跟踪（MPPT）技术的应用，为改善光伏系统效率问题提供了技术支撑。

2 最大功率点跟踪控制工作原理

最大功率点跟踪是光伏发电系统的主要技术之一，也就是说，可通过跟踪最大功率点工作状态，利用一系列调节与设置方法，将状态调至最佳化，从而取得最大输出功率。按照电路内最大功率传输定理，可利用合理化操作，保证光伏发电系统输出功率与最大输出功率接近或一致，以此提升整个系统的工作效率。若光照与温度恒定不变，那么电流和电压之间将形成一种非线性的关系。伴随电压的变化，输出功率自身也会出现改变，这时并不能完全显示最大功率，为了获取最佳效果，可采用调节开关器件占空比的方法来设置。

3 光伏发电系统最大功率点跟踪算法

开路电压比例系数法、恒定电压法、扰动观察法等均为常见的传统最大功率点跟踪算法[3-5]，每一种算法的特点各有不同，同时也存在一定问题，因此，在具体应用中，若使用不当，极易对实际使用效率造成严重影响。基于此，人们结合实际工作，合理选择算法。

3.1 开路电压比例系数法

温度、光照强度等均会对光伏发电系统造成影响，其中影响最大的为光照。为此，在最大功率输出点，光伏电池陈列的电压与开路电压之间存在一定关系，可用式（1）表示。

[Um=K×Uoc]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[Um]为光伏电池最大功率点位置的电压;[Uoc]为光伏电池的开路电压;[K]为比例常数，一般小于1（0.71～0.80）。

通常，光伏电池型号各异，其[K]值大小也存在区别。为此，可通过开路电压比例系数法测算出光伏发电系统的最大功率输出点。相比其他算法，该算法具有两大优势。其一，测算稳定性较高，产生的振动不大，结果可靠性高;其二，便于操作。其缺点主要是结果往往不够准确，仅属于一个相似点，精确度不高。若想要获取精确值，必须将外电路所带负载断开，但这种方式极易造成功率损耗，因此，在具体应用中必须做好全面思考。

3.2 恒定电压法

通过电压控制，保证电压始终处于一个恒定状态从而跟踪最大功率输出点，这种方法被称为恒定电压法。在最高点位置或其周围控制最大功率输出点，恒定电压跟踪法可以保证以最大效率运转光伏阵列，最大化输出电流。

3.3 扰动观察法

最大功率点两侧光伏器件的[dpdv]具有相反符号（[dp]为设定的功率浮动范围;[dv]为电压扰动量），在最大功率点两侧，扰动观察法就是通过光伏器件[dpdv]符号的不同特点进行测定的。此算法可对光伏器件的MPPT电路工作状态进行优化、调整。

3.4 电导增量法

电导增量法通过分析及观测光伏发电中动态电导与瞬时电导之间的关系，进行最大功率点跟踪。最大功率点两侧电池工作点位置不同，则工作效率也不尽相同，如两者重叠，则[dpdv]=0，若位置不同，则等式前后不等。因此，通过此算法，人们可以对光伏电池工作点不同位置的具体情况进行观测，并找出变化规律。

4 常规MPPT控制方法的改进优化

每一种算法都具有不同的优势，在最大功率点跟踪控制中，算法使用情况不同，则侧重点也有所不同。为了弥补算法中的不足之处，可针对常规MPPT控制方法进行改进与优化，如采用复合型算法对最大功率点进行跟踪。本文针对两种复合型算法进行了分析，并在此基础上探讨了改进优化方法的建模及仿真情况。

4.1 恒定电压法结合扰动观察法

扰动观察法是常规MPPT算法的一种，其特点为需对扰动步长进行固定，然而固定之后无法改变整个扰动步长。该算法具有稳定性，但很难有效兼顾跟踪速度等方面。若扰动步长设置较长，则会加快跟踪速度，此时将大大降低系统的稳定性，并产生明显的震动。反之，则速度受影响。为了解决此算法速度与稳定性之间的矛盾，其可以结合恒定电压法。在确保光伏电池工作状态良好的前提下，按照电池状态进行扰动步长设定，此时可对最大功率点进行有效、准确的跟踪，若电池工作状态还无法达到最大功率点输出，则需适当增加步长，此时将加快速度，保证最大功率点跟踪的速度。若即将达到最大功率输出，步长设置可适当减短，提高系统稳定性，以便跟踪到最大功率。

4.2 恒定电压法结合电导增量法

一般在最大功率点右侧会存有一个区域，若电池工作点在此区域内，则电压值或电流值将发生较大变化，若在此区域外，则变化小。为了解决此类情况，可采用电导增量法。

最大功率电压和开路电压之间存有一定关系，即[Um=K×Uoc]，[K]为比例常数，范围在0.71～0.80。同时，光伏电池的恒流范围和恒压范围也存有差异，一般恒流范围至少为恒压范围的4倍，若恒流范围包括电池工作点，此时电压将在最大功率点电压以下，这种情况下，就必须通过增大电池电压的方法获取最大功率点。此外，电压扰动量影响电流量较小，为了快速跟踪到最大功率点，就必须选用较大扰动量。反之，若在恒压范围内，电池电压正常工作，与最大功率点电压相比，电池电压较大，这种情况下就需要减小电压。电压影响电池电压的程度较大，此时，为了降低电压，可设定一个较短的扰动步长进行最大功率点跟踪。具体操作流程如下：开启系统，采用恒定电压法，对于采样开路电压，根据关系式，启动电压设计点采用0.78倍光伏电池的开路电压值，不断增加光伏電池电压，并逐步接近最大功率点，当两者电压一致后，进入第一阶段;待系统状态稳定之后，可通过扰动步长进行最大功率点跟踪。

4.3 改进优化方法的建模及仿真

在改进优化方法之后，可建立MPPT控制模块子系统仿真模型。通过模型可知，当采用新算法进行最大功率点跟踪计算时，在极短时间内，光伏电池发电功率便可满足最大功率输出点且保持较长时间。在最大功率输出点发电时，其具有相对较为稳定的功率，产生的波动较小，此时表明设计中所采用的算法跟踪控制方法效果显著。

进一步设置T=25℃为恒定温度，若温度恒定不变，仅对光照强度做出改变，可得出，当t=0.1s，光照强度将有所增加，可由800W/m2增至1 000W/m2，这个阶段波形图也会发生较大变化，幅度也有所增加。

为了进一步验证结果的正确性，做了对比试验分析，此次保证光照强度相同，仅对温度变化后的数据进行分析。当光照强度为1 000W/m2时，t=0.1s，外部温度将有所提升，由20℃增加到35℃。当温度产生改变时，最大输出功率点也将改变，在温度增长的同时，最大输出功率点将会下降，两者呈反比。在短时间内利用此方法可快速跟踪到最大输出功率点，且具有较强的抗干扰能力，能够保证整个输出状态稳定。

5 结语

在人类社会发展中，能源是最主要的动力来源。作为人类赖以生存的唯一家园，地球承载着无数人的希望与梦想。如果人类盲目地开采与使用有限的化石能源，那么人们赖以生存的环境将被严重破坏，甚至会出现化石能源枯竭的情况。当前，能源短缺是阻碍全球经济发展的主要因素，而光伏发电作为一种新的发电方式，以其无污染、无噪音、维护简单等优势得到了人们的广泛关注，是未来新能源的主要力量。于光伏发电系统输出效率而言，最大功率点跟踪（MPPT）技术的应用可有效改善其输出效率，并能显著提升太阳能的利用率。这项技术可保证光伏发电系统每时每刻均在最大功率点运行，促使系统以最大功率状态输出。

参考文献：

[1]汪义旺，曹丰文，张波，等.光伏发电系统最大功率点快速跟踪控制研究[J].电力电子技术，2010（10）：14-16.

[2]杨琳霞.光伏发电系统最大功率点跟踪控制的研究[J].陕西理工学院学报（自然科学版），2013（4）：17-19.

[3]叶超，张耀明，高留民.光伏并网发电系统最大功率点跟踪算法的研究[J].科技风，2013（24）：50-50.

[4]冯佩云，冯俊青，段小汇.光伏发电系统最大功率点跟踪研究[J].软件导刊，2018（12）：173-176.

[5]田英，罗彧，于宁.光伏发电系统最大功率点跟踪算法研究[J].火炮发射与控制学报，2013（1）：93-96.

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